网络系统中有哪些产生延迟的因素及互联网系统中如何减少网络延迟正文终稿1.docx

1、网络系统中有哪些产生延迟的因素及互联网系统中如何减少网络延迟正文终稿1网络系统中有哪些产生延迟的因素及互联网系统中如何减少网络延迟(正文-终稿)-1网络系统中有哪些产生延迟的因素互联网系统中是如何减少网络延迟的（技术点分析）（正文）.研究背景我们喜欢玩大型网游，要求其具有高质量的画面、极速的体验，然而，我们时不时发现游戏加载的速度越来越慢、画面越来越卡。通过查阅资料，我们得知了现象背后的实质原因网络延迟。随着使用internet的用户数量、规模、对网络依赖度的急剧攀升，人们对网络的高性能、低延迟、模式要求越来越高。网络不仅要承载巨大数据业务，还要承载多媒体语音、视频、金融等实时业务。服务器性能

2、不足、系统设计缺陷和传输等相关问题导致了大量网络延迟严重影响了用户体验。这篇关于网络延迟的分析，是建立在我们对网络延迟的现有了解上的。.框架（关键点）1.什么是网络系统的总体架构1.1概念1.2构成2.什么是网络协议2.1概念2.2网络协议的形式化分析与设计2.2.1协议的形式化模型2.2.2 Petri 网模型2.2.3 协议的时态逻辑模型2.2.4 通信进程演算模型2.3 协议的形式化设计与验证2.4 协议的性质描述2.5 网络协议的测试3.网络延迟3.1什么是网络延迟3.1.1概念3.1.2定义3.2网络延迟的分类3.2.1路由延迟3.2.2排队延迟3.3产生网络延迟的因素3.3.1服务

3、器计算能力低3.3.2传输饱和导致延迟3.4网络延迟的处理方案3.4.1优化服务器，调整网络布局3.4.2提高主干网速度3.4.3优化服务器系统设计，提高计算能力4.容迟网络路由算法4.1概念为网络协议分析和设计的典型形式 模型之一。它作为系统描述和分析的工具, 除了具有静态结构外,还包括了描述系统 动态行为的机制。这一特征是通过允许位 置中包含令牌,令牌可以依据迁移的引发 而重新分布来实现的。 2.2.3 协议的时态逻辑模型 时态逻辑是模态逻辑的扩充,它涉及 含有时间信息的事件、状态及其关系的命 题、谓词和演算。要描述一个协议,首先要 标识系统中的个体常量,定义变量,表达命 题、谓词函数。2

4、.2.4 通信进程演算模型 通信进程演算是计算机通信系统的基本理论模型,它也是许多形式化语言的基础。通信进程演算的基本成分是事件与进程,而进程是通过顺序、选择和并行三个基本算子来定义的。一般用大写字母来表示进程,用小写字母来表示事件。2.3 协议的形式化设计与验证 协议的设计验证是对协议的功能和性能进行校验的过程,是保证协议开发质量的必要环节。协议形式化验证首先需要对协议性质进行系统的语言描述,然后基于协议的形式模型或者形式语言进行描述,通过适当的技术对协议性质进行分析校验。 2.4 协议的性质描述 设计网络协议的目的就是设计出的协议要满足功能和性能。一方面,协议本身应用问题的特征性对协议的功

5、能和性能具有特殊的要求;另外一方面,协议的功能和性能所拥有的协议的性质,是独立于问题的一般性要求。协议的性质包括活性、安全性、一致性、完备性、可恢复性和有界性六方面。 (1)活性就是指无死锁性,如果在协议运行时候发生一些好事,就叫协议的活性,像发生预定的事情,能够到达指定的协议状态,可以进行应该进行的协议活动等都是协议的好事情。协议的终止性和进展性两反面可以体现协议的活性。也就是说具有终止性和进展性的协议就拥有活性。如果协议能够在从任何 一状态下开始运行都能正确的到达终止状态,就是协议的终止性。终止状态在某 些情况下也会和初始状态是同一个。所以协议总能从初始状态开始运行然后正确的回到初始状态,

6、并可反复运行,这就 是协议的可重复性,即可重复性=终止性 +进展性=活动性。 (2)安全性就是没有坏的事情出现在协议运行的时候。像不可接收事件、不可进一 步向前的状态、错误的行动、错误的条件、 变量值越界等都是坏的事情。坏事情一般 会导致死锁和活锁两种情况发生。 (3)一致性就是指协议的服务行为和协议行为保持一致。像协议需要为用户提供的所要求的业务和不用提供用户没有要求 提供的业务都体现了协议的一致性。 (4)完备性,协议拥有完全符合协议环境各种要求的性质,也就是在考虑了用户要求、用户特点、通道性质、工作模式等各 种潜在影响因素之后构建的协议构造,同时兼备考虑各种错误事件以及异常情况的处理。

7、(5)可恢复性是指当协议出现差错后,协议本身能否在有限的步骤内返回到正常状态下执行。可恢复性是和可重复性相关 联的一个性质。 (6)有界性是与协议中的变量和参数有 关的一个性质,用来衡量协议中的变量和 参数是否超过其限定值。2.5 网络协议的测试 测试是保证网络协议质量的一个重要手段,是协议实现过程中的一种实验活动。尽管测试并不能完全证明协议实现的正确性,但是在系统的测试活动检查下,可以把协议在实现过程中出错的概率降低到实际应用可以接受的程度。相对而言,基于有限状态机模型的协议测试方法有比较高的错误覆盖率。然而,在实际中,协议规格的状态机模型并不满足对有限状态机的假设,即便满足,相应的测试生成

8、算法也太复杂,生成的测试序列也太长,测试成本太高。随着各种各样的有限状态机规格的广泛使用,借助于软件数据流测试的思想,基于数据流的协议测试序列生成方法相应得到了研究应用。数据流测试通常基于有向数据流图。在理想情况下,测试所有可能的输入数据将提供最完全的程序行为信息,而在实际测试中,通常选择一个 可以代表整个输入域的子集。总结：形式化方法是基于严密的、数学上的形式机制的系统研究方法。客观地讲,有了数学的应用,就有了形式化的方法。迄今为止,形式化方法成功地应用于空中交 通管制系统、铁路信号系统、核电站控制 系统、通信系统、医疗监护系统、硬件电路 等诸多领域。网络协议的形式化分析和设计正在向完善化、

9、系统化、自动化和标准化方向发展。3.网络延迟3.1什么是网络延迟3.1.1概念指各式各样的数据在网络介质中通过网络协议(如TCP/IP)进行传输，如果信息量过大不加以限制，超额的网络流量就会导致设备反应缓慢，造成网络延迟。3.1.2定义（网络延迟PING值越低速度越快）130ms：极快，几乎察觉不出有延迟，玩任何游戏速度都特别顺畅3150ms：良好，可以正常游戏，没有明显的延迟情况51100ms：普通，对抗类游戏能感觉出明显延迟，稍有停顿100ms：差，无法正常游戏，有卡顿，丢包并掉线现象计算方法：1秒=1000毫秒（例：30ms为0.03秒）3.2网络延迟的分类 对用户来说，对用户来说, 网

10、络延迟是指用户发出请求到远端系统对该请求作出响应传回给用户的这一段时间。对基于TCP/IP 协议的Internet来说, 对每一请求都要作如下处理:路由处理、ADU(用户数据单元)在网络上传输以及服务器对请求进行处理, 这些过程都会引起延迟。其实主要就是：3.2.1路由延迟首先来看路由延迟, 它包括域名请求延迟、TCP 连接建立延迟、TCP 连接释放延迟和 IP 在各个网关上的寻径延迟。若用户应用中使用的是对方主机的域名而不是 IP 地址, 在应用程序通信之前应解析出对方的 IP 地 址,域名解析过程引起的延迟称作域名请求延迟。应用程序将域名交给本地解析器软件, 该软件首先在本地缓存区中查找相

11、应域名 地址联编; 如找不到, 本地解析器构造一个询问报文,发往初始域名服务器(本地 服务器) , 域名服务器根据解析情况回答一个响应报文。域名服务器解析采用二步法: 当初始服务器找不到 该域名时,则将询问报文发往根服务器,进行自顶向下的搜索(域名服务器组织成树形层次结构)。本地缓存 区对域名请求的响应延迟是由 CPU 、内存、外存速度 决定的,该延迟相对来说很小。域名服务器的响应与网 络负载、服务器的速度和负载有关。当需要从根服务器开始查找域名时, 传输延迟则成为 LAN上的延迟, 此延迟相对较大。3.2.2排队延迟 它是分组交换网中的主要延迟, 它指的是 PDU 在传输路径上每交换一次所引

12、起的缓冲延迟的集合。在先进先出队列机制的交换中, 新到达的分组的排队延迟等于已在该输出端口上排队的所有分组传送延迟的总和。所以排队延迟既与队列前面的分组数量有关,也与输出端口的传送速度有关。作为主要延迟的排队延迟受当前网络负载影响, 它也是分组交换网中 延迟变化的主要因素。由于 I网络主干网上每个路由器都有大 量的数据包排队,排队延迟也成为网络上的主要延迟。如若经过 10个路由器, 每个路由器平均有 10 个 IP 数据包排队, 在这条路径上的 排队延迟能够达到上百毫秒。 如果分组交换临时过载的时候,每一个PDU的目的输出端口上可能有许多分组排队出现队列中位于PDU前的每一个分组都会产生一个等

13、于传送延迟的附加延迟。这也就造成了排队延迟。3.3产生网络延迟的因素3.3.1服务器计算能力低 在网络中，服务器为用户提供资源如CPU、网络、数据、通信等如果服务器性能过低，那么执行相关操作的时间将很大，若是相对地来讲来说，那么在网络传输上花费的时间可忽略不计。由此，可以根据木桶原理得出，如果网络延迟的瓶颈是服务器，即使增加网络性能，延迟也不会变化。同时，在服务器的整体性能中系统设计也起着举足轻重的作用。服务器系统设计不合理、计算能力低是导致网络延迟的一个重要原因。因此需要从服务器的整体性能系统设计为一个出发点来突破。3.3.2传输饱和导致延迟由图1可知，当利用率超过60%，网络延迟便会出现指

14、数倍增长。在实际生活中，如果网络利用率长期大于60%并连续性出现网络阻塞（“如网络连接错误”），即应该考虑长时间的阻塞导致服务器死机、网络崩溃及其他问题并应该及时处理。若偶尔存在几个瞬间时间段超过60%，网络响应也能正常工作。导致传输饱和的主要原因有：1.不合理的网络拓扑结构2.某个应用对网络的“垄断作用”3.用户数量超过了原始设计容量3.4网络延迟的处理方案3.4.1优化服务器，调整网络布局1.优化网络拓扑结构，少使用单一网络布局。对于大部分网络，首先应该保证当部分网络发生故障、阻塞时，应该有能选择备选线路继续提供网络服务的能力（效率不一定最优），避免网络的彻底瘫痪；其次，当网络拓扑结构传输

15、效率低时，应考虑对网络结构进行改造，并避免集线器的深层级联；对于采用树形、总线型、星型拓扑结构的网络，应根据实际情况对某些重要节点进行调整，减少层次，升级和平衡重要节点；第三，做好网络拓扑布局中服务器、链路、路由、节点同时故障导致的应急措施。2.减少网络广播 为了均衡网络负载，应合理控制网络流量，根据流量来调整、增加服务器。在通信集中且需要较高宽带的，应合理规划和布局访问路径，或考虑单独组网以缩短网络的响应时间。3.4.2提高主干网速度 主干网是子网通信之间重要的共享信道，它必须能提供足够的带宽。如果瓶颈是主干网带宽，则必须提高主干网带宽，升级原有因特网技术，或制定新的因特网技术标准，以突破现有带宽瓶颈。3.4.3优化服务器系统设计，提高计算能力 首先，服务器的性能决定了网络的整体性能。根据木桶